Science：微观美食家——探秘果蝇味觉系统
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就像我们在美食上独具品味一样，果蝇也有着自己的微观味觉系统，为它们的小小世界增添了一抹独特的色彩。虽然它们与我们在生活中所经历的味觉体验不尽相同，但果蝇的味觉系统却是一场微观的美食之旅。就像我们在餐桌上选择美味佳肴一样，果蝇通过自身独特的感觉器官，以一种微小而神奇的方式感知着周围环境中的味道，引领它们走向食物的方向。
在果蝇中，味觉感知是通过特异受体在味觉受体神经元中的识别味道分子来启动的，这些受体位于前翅边缘、腿部和舌瓣等外部味觉器官以及口器内部的三个味觉器官内1。在果蝇的不同味觉受体蛋白中，味觉受体 (GRs) 在甜、苦和其他味道的感知中起着重要作用2。
果蝇GR家族与嗅觉受体 (OR) 家族有远亲关系，包括68个成员，它们都包括一个七次跨膜结构域和一个相对保守的C端基序3。GRs被认为是配体门控离子通道，代表了最大的离子通道家族之一。其中，甜味感知主要由九个GRs介导，包括GR5a、GR43a、GR61a和GR64a-f。在这些糖受体中，GR64a介导了不仅自然糖的感知，还有人工甜味剂糖精的感知4。
尽管果蝇甜味受体的遗传学和体内生理学已经得到广泛研究，但其基础分子机制仍然大部分未知。2024年2月2日，浙江大学郭江涛、徐浩新、苏楠楠实验室与中国科学院分子植物科学卓越创新中心范敏锐实验室合作，在Science期刊上发表了题为“Structural basis for sugar perception by Drosophila gustatory receptors”的论文。研究者对果蝇甜味受体GR43a和GR64a进行了结构功能研究，通过确定这两种受体在自由状态和糖结合状态下的冷冻电镜结构，揭示了单糖和双糖如何选择性地结合并激活不同的受体的结构和功能机制。
为了功能性地表征果蝇的甜味受体，研究者异源表达了GR43a和GR64a，并在无糖的记录溶液中测量了细胞电流，同时进行了各种糖的灌流：果糖、葡萄糖、麦芽糖和蔗糖（图1）。结果表明GR43a形成了一个果糖激活的、Ca2+渗透的、非选择性的阳离子通道，并且GR43a对果糖的配体偏好性强于葡萄糖或二糖（图1C-F）。同样地，在电生理和Ca2+成像实验中，GR64a被麦芽糖和蔗糖激活，但不受果糖或葡萄糖的影响（图1G-L）。
图1. GR43a和GR64a的电生理特征
为了揭示昆虫GRs的糖激活机制，研究者解析了野生型GR43a和GR64a在Apo状态下和糖结合状态下的冷冻电镜结构，分辨率为2.5-2.6 Å（图2A-E）。GR43a通道是由四个对称亚基组成的四聚体，每个亚基包含七个跨膜螺旋，N末端朝向细胞质侧，C末端朝向细胞外侧（图2F-G）
图2. GR43a和GR64a的冷冻电镜结构
在GR43a中，四个S7b螺旋构成了一个漏斗形的孔道，（图3A）。S7a-S7b连接区在细胞质表面折叠成一个短β-发夹。在β-发夹上方，以及S7b中一个保守的酪氨酸残基 (Tyr415) 下方，在两个相邻的S7b螺旋之间观察到了一个类似脂质的密度，其亲水性头部指向孔道中心，也通过其疏水尾部封闭了侧向小窗，有助于中央孔道的形成（图3B）。研究者进一步通过突变体验证了TMD中中央孔道的离子传导作用（图3D）。
在两个相邻的亚基之间，由S5和S6’的细胞质部分以及S7a-S7b连接区形成了一个侧向通道，主要由亲水性残基组成（图3E-F）。为了研究这个侧向通道是否可能介导离子传导通路，研究者将构成通道壁的亲水氨基酸突变为色氨酸，在六个色氨酸突变体中，有五个显示出大幅度的电流幅度减小（图3G），这可能是由于离子传导通路的位阻所致。
图3. GR43a的离子通道
在GR43a结合果糖的结构中，果糖位于LBD的胞外侧一个狭窄的口袋中，主要由S2-S6和S1-S2连接区构成，并与周围残基形成大量氢键。此外，研究者还通过突变体的电生理学进一步确认果糖确实通过结合该口袋来激活GR43a（图4A-C）。同样地，研究者通过结构分析和电生理实验进一步确认了GR64a的蔗糖和麦芽糖结合口袋，该口袋更大，由LBD中的所有六个螺旋以及包含两个短螺旋的长S3-S4连接区构成。有趣的是，H197A和T257A对蔗糖与麦芽糖的差异敏感性不仅在功能上确认了GR64a中的二糖结合口袋，还为糖的选择性提供了见解（图4D-K）。
研究者进一步对比GR43a和MhOR5的配体结合构象揭示了甜味物质（非挥发性和亲水性）和气味物质（挥发性和疏水性）的不同感知模式，包括不同配体结合口袋的深浅、开口朝向和配体与口袋周围残基的相互作用。感知模式的差异与配体不同的化学性质一致（图4L-N）。
图4. GR43a和GR64a的糖分子结合模式
为了更好地阐明GR的分子机制，研究者解析了GR43a-I418A（激活态）在Apo、果糖结合以及果糖和Ca2+结合状态下的结构，分辨率为2.8-3.1 Å。有趣的是，果糖结合的GR43aI418A结构表现出与闭合的GR43aApo不同的一些特征（图5A-B）。然而，果糖结合的GR43aI418A与已发表的丁香酚结合的开放态MhOR5（图5A-C）表现出相似之处。这些结构相似性表明，通道的开放机制可能在GR和OR家族中是保守的。
此外，研究者还在果糖结合的GR43aI418A结构中观察到水分子和Na+密度，并通过突变体验证了Gln421在通道活性中的重要作用。在果糖、Ca2+结合的GR43aI418A结构中，研究者还观察到了Ca2+密度（图5D-E）。
图5. 果糖结合的GR43aI418A结构呈向外开放构象
为了揭示果糖的激活机制，研究者对GR43aapo和GR43afructose结构进行了比对。果糖与LBD结合后，S5的C端部分、S5-S6连接部分和S6的N端部分向袋中心移动1-3 Å，使袋入口变窄。这些构象变化可能是由S5中果糖和Thr310之间建立氢键引起的（图6A-C）。
为了揭示LBD-PD偶联机制，研究者对GR43afructose和GR43aI418A-fructose结构进行了比对。在LBD-PD界面处，S5 C端氨基酸残基主链基本保持不变。相比之下，S5中三个芳香残基的侧链，即Tyr312、Phe313和Phe315，从细胞外侧看，经历了从GR43afructose到GR43aI418A-fructose的逆时针旋转，并伴随着Phe315侧链的“翻转”。Tyr312和Phe315的构象变化可能进一步诱导S7b向亚基内的S2弯曲，导致通道最终打开（图6D-F）。
综上所述，GR43aapo、GR43afructose、GR43aI418A-fructose的结构分别代表GR43a的无配体封闭构象、配体结合封闭构象（解耦）和配体结合开放构象。总的来说，这些结构提供了GR43a中果糖与LBD结合时通道打开过程的快照（图6G）。
图6. GR43a果糖激活的结构机制
营养物质的准确检测对于调节昆虫的摄食行为、生长和新陈代谢至关重要。本文以GR43a和GR64a为研究模型，对甜味受体进行了全面的功能和结构分析，为昆虫GRs的结构功能分析奠定了基础。此外，了解不同GRs的糖结合和激活机制可以指导调整昆虫生理行为并促进控制害虫策略的发展。
供稿 | 肖媛
审稿 | 谭佳鑫
责编 | 囡囡
设计 / 排版 | 可洲 雨萱
微信号：FRCBS-THU
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原文链接
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adj2609
参考文献
参考文献
[1] Y. D. Chen, A. Dahanukar, Recent advances in the genetic basis of taste detection in Drosophila. Cell. Mol. Life Sci.77, 1087–1101 (2020).
[2] B. Shrestha, Y. Lee, Molecular sensors in the taste system of Drosophila. Genes Genomics45, 693–707 (2023).
[3] P. J. Clyne, C. G. Warr, J. R. Carlson, Candidate taste receptors in Drosophila. Science287, 1830–1834 (2000).
[4] Q. P. Wang, Y. Q. Lin, L. Zhang, Y. A. Wilson, L. J. Oyston, J. Cotterell, Y. Qi, T. M. Khuong, N. Bakhshi, Y. Planchenault, D. T. Browman, M. T. Lau, T. A. Cole, A. C. N. Wong, S. J. Simpson, A. R. Cole, J. M. Penninger, H. Herzog, G. G. Neely, Sucralose promotes food intake through NPY and a neuronal fasting response. Cell Metab.24, 75–90 (2016).
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